Физични и химични свойства на силиций и въглерод и техните съединения. Химични свойства на въглерода и силиция

Описание и свойства на силиция

Силицият е елемент, четвъртата група, третият период в таблицата на елементите. Атомен номер 14. силиконова формула— 3s2 3p2. Дефиниран като елемент през 1811 г., а през 1834 г. получава руското име "силиций", вместо предишното "сицилия". Топи се при 1414º C, кипи при 2349º C.

Наподобява по молекулярна структура, но му отстъпва по твърдост. Доста крехък, в нагрято състояние (поне 800º C) придобива пластичност. Осветява се с инфрачервена светлина. Монокристалният тип силиций има полупроводникови свойства. Според някои характеристики силициев атомподобно на атомната структура на въглерода. силициеви електрониимат същото число на валентност като във въглеродната структура.

работници силициеви свойствазависят от съдържанието на определено съдържание в него. Силицият има различен тип проводимост. По-специално, това е "дупка" и "електронен" тип. За да се получи първият, към силиций се добавя бор. Ако добавите фосфор, силицийпридобива втория тип проводимост. Ако силицийът се нагрява заедно с други метали, се образуват специфични съединения, наречени "силициди", например в реакцията " магнезий-силиций«.

Силицият, който се използва за нуждите на електрониката, се оценява преди всичко по характеристиките на горните му слоеве. Ето защо е необходимо да се обърне внимание на тяхното качество, то е пряко отразено в цялостното представяне. От тях зависи работата на произведеното устройство. За да се получи най-приемливото представяне на горните слоеве силиций, те се третират с различни химични методи или се подлагат на облъчване.

Съединение "сяра-силиций",образува силициев сулфид, който лесно взаимодейства с вода и кислород. При реакция с кислород, при температурни условия над 400º C, се оказва силициев диоксид.При същата температура стават възможни реакции с хлор и йод, както и с бром, при които се образуват летливи вещества - тетрахалогениди.

Няма да работи да комбинирате силиций и водород чрез директен контакт; има индиректни методи за това. При 1000º C е възможна реакция с азот, както и с бор, което води до силициев нитрид и силициев борид. При същата температура, чрез комбиниране на силиций с въглерод, човек може да произвежда силициев карбид, така нареченият "карборунд". Този състав има солидна структура, химическата активност е бавна. Използва се като абразив.

Във връзка с желязо, силицийобразува специална смес, което позволява топенето на тези елементи, което образува феросиликонова керамика. Освен това точката му на топене е много по-ниска, отколкото ако се стопят отделно. При температури над 1200º C елементът започва да се образува силициев оксид, също при определени условия се оказва силициев хидроксид. При ецване на силиций се използват алкални разтвори на водна основа. Температурата им трябва да бъде поне 60ºC.

Находища и добив на силиций

Елементът е вторият по разпространение на планетата вещество. Силицийсъставлява почти една трета от обема на земната кора. Само кислородът е по-често срещан. Той се изразява предимно от силициев диоксид - съединение, съдържащо силициев диоксид в сърцевината си. Основните производни на силициевия диоксид са кремък, различни пясъци, кварц, а също и полеви. Те са последвани от силикатни съединения на силиция. Нативността на силикона е рядко явление.

Приложение на силиций

Силиций, химични свойствакоито определят обхвата на неговото приложение, се разделя на няколко вида. По-малко чистият силиций се използва за металургични нужди: например за добавки в алуминий, силицийактивно променя свойствата си, дезоксиданти и др. Той активно променя свойствата на металите, като добавя към техните съединение. Силицийги сплавява, променяйки работните характеристики, силицийсъвсем малко количество е достатъчно.

Също така от суров силиций се произвеждат по-висококачествени производни, по-специално моно- и поликристален силиций, както и органични силициеви вещества - това са силикони и различни органични масла. Намира приложение и в производството на цимент и стъкларската промишленост. Той не заобиколи производството на тухли, фабриките за производство на порцелан и също не могат без него.

Силицият е част от добре познатото силикатно лепило, което се използва за ремонтни работи, а по-рано се използва в офис нужди, докато не се появиха по-практични заместители. Някои пиротехнически продукти също съдържат силиций. Водородът може да бъде получен от него и неговите железни сплави на открито.

Какво е по-качествено силиций? чиниислънчевите клетки също включват силиций, естествено не технически. За тези нужди е необходим силиций с идеална чистота или поне технически силиций с най-висока степен на пречистване.

Т.нар "електронен силиций",който съдържа почти 100% силиций, има много по-добра производителност. Поради това е предпочитан при производството на свръхпрецизни електронни устройства и сложни микросхеми. При производството им се изисква висококачествена продукция. верига, силицийза които трябва да отива само най-високата категория. Работата на тези устройства зависи от това колко съдържа силицийнежелани примеси.

Силицият заема важно място в природата и повечето живи същества постоянно се нуждаят от него. За тях това е вид градивна смес, тъй като е изключително важна за здравето на опорно-двигателния апарат. Всеки ден човек усвоява до 1гр силициеви съединения.

Може ли силицият да бъде вреден?

Да, поради това, че силициевият диоксид е изключително податлив на запрашване. Той има дразнещ ефект върху лигавиците на тялото и може активно да се натрупва в белите дробове, причинявайки силикоза. За да направите това, в производството, свързано с обработката на силициеви елементи, използването на респиратори е задължително. Тяхното присъствие е особено важно, когато става въпрос за силициев оксид.

цена на силиций

Както знаете, цялото съвременно електронно оборудване, от телекомуникациите до компютърните технологии, се основава на използването на силиций, използвайки неговите полупроводникови свойства. Другите му аналози се използват в много по-малка степен. Уникалните свойства на силиция и неговите производни все още са извън конкуренцията за много години напред. Въпреки спада на цените през 2001 г. за силиций, продажбибързо отскочи назад. И още през 2003 г. търговският оборот възлиза на 24 хиляди тона годишно.

За най-новите технологии, които изискват почти кристално чист силиций, неговите технически двойници не са подходящи. И поради сложната си система за почистване, цената съответно се увеличава в пъти. Поликристалният тип силиций е по-често срещан, неговият монокристален прототип е малко по-малко търсен. В същото време делът на използването на силиций за полупроводници заема лъвския дял от оборота.

Цените на продуктите варират в зависимост от чистотата и предназначението. силиций, купикоито можете да започнете от 10 цента на кг сурови суровини и до $ 10 и повече за "електронен" силиций.

Въведение

2.1.1 +2 степен на окисление

2.1.2 +4 степен на окисление

2.3 Метални карбиди

Глава 3. Силициеви съединения

Библиография

Въведение

Химията е един от дяловете на естествените науки, чийто предмет са химичните елементи (атоми), образуваните от тях прости и сложни вещества (молекули), техните превръщания и законите, на които се подчиняват тези превръщания.

По дефиниция D.I. Менделеев (1871), „химията в нейното сегашно състояние може... да се нарече учение за елементите“.

Произходът на думата "химия" не е напълно ясен. Много изследователи смятат, че идва от древното име на Египет - Хемия (на гръцки Chemia, намерено у Плутарх), което произлиза от "хем" или "хаме" - черен и означава "наука за черната земя" (Египет), " Египетска наука“.

Съвременната химия е тясно свързана както с другите природни науки, така и с всички отрасли на народното стопанство.

Качествената особеност на химическата форма на движение на материята и нейните преходи към други форми на движение определя многостранността на химическата наука и нейната връзка с областите на знанието, които изучават както по-ниските, така и по-висшите форми на движение. Познаването на химическата форма на движението на материята обогатява общото учение за развитието на природата, еволюцията на материята във Вселената и допринася за формирането на цялостна материалистична картина на света. Контактът на химията с други науки поражда специфични области на тяхното взаимно проникване. По този начин областите на преход между химия и физика са представени от физическата химия и химическата физика. Между химията и биологията, химията и геологията възникнаха специални гранични области - геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярна биология. Най-важните закони на химията са формулирани на математически език, а теоретичната химия не може да се развива без математика. Химията е оказвала и оказва влияние върху развитието на философията и самата тя е изпитвала и изпитва своето влияние.

Исторически са се развили два основни раздела на химията: неорганичната химия, която изучава предимно химичните елементи и образуваните от тях прости и сложни вещества (с изключение на въглеродните съединения), и органичната химия, предмет на която са съединенията на въглерода с други елементи ( органични вещества).

До края на 18 век термините "неорганична химия" и "органична химия" указват само от кое "царство" на природата (минерал, растение или животно) са получени определени съединения. Започвайки от 19 век. тези термини са започнали да показват наличието или отсъствието на въглерод в дадено вещество. Тогава те придобиха ново, по-широко значение. Неорганичната химия влиза в контакт преди всичко с геохимията и след това с минералогията и геологията, т.е. с науките за неорганичната природа. Органичната химия е клон на химията, който изучава различни въглеродни съединения до най-сложните биополимерни вещества. Чрез органичната и биоорганичната химия химията граничи с биохимията и по-нататък с биологията, т.е. с съвкупността от науките за живата природа. На кръстопътя между неорганичната и органичната химия е областта на елементоорганичните съединения.

В химията постепенно се формират идеи за структурните нива на организацията на материята. Усложнението на веществото, започвайки от най-ниското, атомно, преминава през етапите на молекулярни, макромолекулни или високомолекулни съединения (полимер), след това междумолекулни (комплекс, клатрат, катенан) и накрая различни макроструктури (кристал, мицел). ) до неопределени нестехиометрични образувания. Съответните дисциплини постепенно се развиват и се изолират: химия на сложни съединения, полимери, кристална химия, изследване на дисперсни системи и повърхностни явления, сплави и др.

В основата на физическата химия е изучаването на химически обекти и явления чрез физични методи, установяването на модели на химични трансформации, основаващи се на общите принципи на физиката. Тази област на химията включва редица до голяма степен независими дисциплини: химическа термодинамика, химическа кинетика, електрохимия, колоидна химия, квантова химия и изследване на структурата и свойствата на молекулите, йони, радикали, радиационна химия, фотохимия, учението за катализа, химично равновесие, разтвори и др.Аналитичната химия придобива самостоятелен характер , чиито методи се използват широко във всички области на химията и химическата промишленост. В областите на практическо приложение на химията възникнаха такива науки и научни дисциплини като химическата технология с нейните много отрасли, металургията, селскостопанската химия, медицинската химия, съдебната химия и др.

Както бе споменато по-горе, химията разглежда химичните елементи и веществата, които образуват, както и законите, които управляват тези трансформации. Един от тези аспекти (а именно химически съединения на основата на силиций и въглерод) ще бъдат разгледани от мен в тази статия.

Глава 1. Силиций и въглерод - химични елементи

1.1 Въведение във въглерода и силиция

Въглерод (C) и силиций (Si) са членове на групата IVA.

Въглеродът не е много често срещан елемент. Въпреки това значението му е огромно. Въглеродът е основата на живота на земята. Той е част от карбонатите (Ca, Zn, Mg, Fe и др.), които са много разпространени в природата, съществува в атмосферата под формата на CO 2, среща се под формата на естествени въглища (аморфен графит), масло и природен газ, както и прости вещества (диамант, графит).

Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора (след кислорода). Ако въглеродът е основата на живота, то силицият е основата на земната кора. Намира се в огромно разнообразие от силикати (фиг. 4) и алумосиликати, пясък.

Аморфният силиций е кафяв прах. Последният лесно се получава в кристално състояние под формата на сиви твърди, но доста крехки кристали. Кристалният силиций е полупроводник.

Таблица 1. Общи химични данни за въглерод и силиций.

Стабилната при обикновена температура модификация на въглерода - графит - е непрозрачна, сива мазна маса. Диамантът - най-твърдото вещество на земята - е безцветен и прозрачен. Кристалните структури на графита и диаманта са показани на фиг.1.

Фигура 1. Структурата на диамант (а); графитна структура (b)

Въглеродът и силицийът имат свои специфични производни.

Таблица 2. Най-характерните производни на въглерода и силиция

1.2 Получаване, химични свойства и употреба на прости вещества

Силицият се получава чрез редукция на оксиди с въглерод; за да се получи в особено чисто състояние след редукция, веществото се прехвърля в тетрахлорид и отново се редуцира (с водород). След това се разтопява на слитъци и се подлага на почистване чрез зоново топене. Метален слитък се нагрява от единия край, така че в него да се образува зона от разтопен метал. Когато зоната се премести в другия край на слитъка, примесите, разтварящи се в разтопения метал по-добре, отколкото в твърдия, се отстраняват и по този начин металът се пречиства.

Въглеродът е инертен, но при много висока температура (в аморфно състояние) той взаимодейства с повечето метали, за да образува твърди разтвори или карбиди (CaC 2, Fe 3 C и др.), Както и с много металоиди, например:

2C + Ca \u003d CaC 2, C + 3Fe \u003d Fe 3 C,

Силицият е по-реактивен. Той реагира с флуор вече при обикновена температура: Si + 2F 2 \u003d SiF 4

Силицият има много висок афинитет и към кислорода:

Реакцията с хлор и сяра протича при около 500 K. При много високи температури силицият взаимодейства с азот и въглерод:

Силицият не взаимодейства директно с водорода. Силицият се разтваря в основи:

Si + 2NaOH + H 2 O \u003d Na 2 Si0 3 + 2H 2.

Киселини, различни от флуороводородна, не го влияят. При HF има реакция

Si+6HF=H2+2H2.

Въглеродът в състава на различни въглища, нефт, природни (главно CH4), както и изкуствено получени газове е най-важната горивна база на нашата планета

Графитът се използва широко за направата на тигли. Като електроди се използват графитни пръти. Много графит отива за производството на моливи. Въглеродът и силицийът се използват за производството на различни видове чугун. В металургията въглеродът се използва като редуциращ агент, а силицият, поради големия си афинитет към кислорода, като дезоксидант. Кристалният силиций в особено чисто състояние (не повече от 10 -9 ат.% примеси) се използва като полупроводник в различни устройства и устройства, включително като транзистори и термистори (устройства за много фини температурни измервания), както и във фотоклетки, чиято работа се основава на способността на полупроводника да провежда ток, когато е осветен.

Глава 2. Химични съединения на въглерода

Въглеродът се характеризира със силни ковалентни връзки между неговите собствени атоми (C-C) и с водородния атом (C-H), което се отразява в изобилието от органични съединения (няколкостотин милиона). В допълнение към силните C-H, C-C връзки в различни класове органични и неорганични съединения, въглеродните връзки с азот, сяра, кислород, халогени и метали са широко представени (виж таблица 5). Такива високи възможности за образуване на връзка се дължат на малкия размер на въглеродния атом, който позволява неговите валентни орбитали 2s 2, 2p 2 да се припокриват възможно най-много. Най-важните неорганични съединения са описани в таблица 3.

Сред неорганичните въглеродни съединения, азотсъдържащите производни са уникални по състав и структура.

В неорганичната химия са широко представени производни на оцетна CH3COOH и оксалова H 2 C 2 O 4 киселини - ацетати (тип M "CH3COO) и оксалати (тип M I 2 C 2 O 4).

Таблица 3. Най-важните неорганични съединения на въглерода.

2.1 Кислородни производни на въглерода

2.1.1 +2 степен на окисление

Въглероден оксид CO (въглероден оксид): според структурата на молекулните орбитали (Таблица 4).

CO е подобен на молекулата на N2. Подобно на азота, CO има висока енергия на дисоциация (1069 kJ/mol), има ниска Tm (69 K) и Tbp (81,5 K), слабо разтворим във вода и е химически инертен. CO реагира само при високи температури, включително:

CO + Cl 2 \u003d COCl 2 (фосген),

CO + Br 2 \u003d SOVg 2, Cr + 6CO \u003d Cr (CO) 6 -хромов карбонил,

Ni + 4CO \u003d Ni (CO) 4 - никелов карбонил

CO + H 2 0 двойки \u003d HCOOH (мравчена киселина).

В същото време молекулата на CO има висок афинитет към кислорода:

CO +1/202 \u003d C0 2 +282 kJ / mol.

Поради високия си афинитет към кислорода, въглеродният окис (II) се използва като редуциращ агент за оксидите на много тежки метали (Fe, Co, Pb и др.). В лабораторията CO оксидът се получава чрез дехидратиране на мравчена киселина.

В технологията въглеродният оксид (II) се получава чрез редуциране на CO 2 с въглища (C + CO 2 \u003d 2CO) или чрез окисляване на метан (2CH 4 + 3O 2 \u003d \u003d 4H 2 0 + 2CO).

Сред производните на CO металните карбонили представляват голям теоретичен и определен практически интерес (за получаване на чисти метали).

Химичните връзки в карбонилите се образуват главно от донорно-акцепторния механизъм поради свободни орбитали д-елемент и електронната двойка на молекулата CO, има и n-припокриване по дативния механизъм (метал CO). Всички метални карбонили са диамагнитни вещества, характеризиращи се с ниска якост. Подобно на въглеродния окис (II), металните карбонили са токсични.

Таблица 4. Разпределение на електроните по орбиталите на CO молекулата

2.1.2 +4 степен на окисление

Въглероден диоксид CO 2 (въглероден диоксид). Молекулата CO 2 е линейна. Енергийната схема за образуване на орбитали на молекулата CO 2 е показана на фиг. 2. Въглеродният окис (IV) може да реагира с амоняк в реакция.

Когато тази сол се нагрява, се получава ценен тор - карбамид CO (MH 2) 2:

Уреята се разлага от вода

CO (NH 2) 2 + 2HaO \u003d (MH 4) 2COz.

Фигура 2. Енергийна диаграма на образуването на CO 2 молекулни орбитали.

В технологията CO 2 оксидът се получава чрез разлагане на калциев карбонат или натриев бикарбонат:

В лабораторни условия обикновено се получава чрез реакция (в апарата на Кип)

CaCO3 + 2HC1 = CaC12 + CO2 + H20.

Най-важните производни на CO 2 са слабата въглена киселина H 2 CO s и нейните соли: M I 2 CO 3 и M I HC 3 (съответно карбонати и бикарбонати).

Повечето карбонати са неразтворими във вода. Водоразтворимите карбонати претърпяват значителна хидролиза:

COz 2- + H 2 0 COz- + OH - (I етап).

Поради пълна хидролиза, карбонатите Cr 3+, ai 3 +, Ti 4+, Zr 4+ и други не могат да бъдат изолирани от водни разтвори.

Практически важни са Ka 2 CO3 (сода), K 2 CO3 (поташ) и CaCO3 (креда, мрамор, варовик). Бикарбонатите, за разлика от карбонатите, са разтворими във вода. От бикарбонатите практическо приложение намира NaHCO 3 (сода бикарбонат). Важни основни карбонати са 2CuCO3-Cu (OH) 2, PbCO 3 X XPb (OH) 2 .

Свойствата на въглеродните халиди са дадени в таблица 6. От въглеродните халиди най-важното е безцветна, доста токсична течност. При нормални условия CCI 4 е химически инертен. Използва се като незапалим и незапалим разтворител за смоли, лакове, мазнини, както и за получаване на фреон CF 2 CI 2 (T bp = 303 K):

Друг органичен разтворител, използван в практиката, е въглероден дисулфид CSa (безцветна, летлива течност с Tbp = 319 K) - реактивно вещество:

CS 2 +30 2 \u003d C0 2 + 2S0 2 +258 kcal / mol,

CS 2 + 3Cl 2 = CCl 4 -S 2 Cl 2, CS 2 + 2H 2 0 = C0 2 + 2H 2 S, CS 2 + K 2 S = K 2 CS 3 (сол на тиокарбонова киселина H 2 CSz).

Парите на въглеродния дисулфид са отровни.

Циановодородна (циановодородна) киселина HCN (H-C \u003d N) е безцветна, лесно подвижна течност, кипяща при 299,5 K. При 283 K се втвърдява. HCN и неговите производни са изключително отровни. HCN може да се получи от реакцията

Циановодородната киселина се разтваря във вода; в същото време той слабо се дисоциира

HCN=H++CN-, К=6.2.10-10.

Солите на циановодородната киселина (цианидите) в някои реакции приличат на хлориди. Например CH - -йон с Ag + йони дава бяла утайка от сребърен цианид AgCN, слабо разтворим в минерални киселини. Цианидите на алкалните и алкалоземните метали са разтворими във вода. Благодарение на хидролизата техните разтвори миришат на циановодородна киселина (мирис на горчиви бадеми). Цианидите на тежките метали са слабо разтворими във вода. CN е силен лиганд, най-важните комплексни съединения са K 4 и Kz [Re (CN) 6 ].

Цианидите са крехки съединения, при продължително излагане на CO 2, съдържащ се във въздуха, цианидите се разлагат

2KCN+C0 2 +H 2 0=K 2 C0 3 +2HCN.

(CN) 2 - цианоген (N=C-C=N) -

безцветен отровен газ; взаимодейства с вода, за да образува цианова (HOCN) и циановодородна (HCN) киселини:

(HCN) киселини:

(CN) 2 + H 2 0 \u003d\u003d HOCN + HCN.

В това, както в реакцията по-долу, (CN) 2 е подобен на халоген:

CO + (CN) 2 \u003d CO (CN) 2 (аналог на фосгена).

Циановата киселина е известна в две тавтомерни форми:

H-N=C=O==H-0-C=N.

Изомерът е киселината H-0=N=C (експлозивна киселина). Солите на HONC експлодират (използвани като детонатори). Родоводородната киселина HSCN е безцветна, мазна, летлива, лесно втвърдяваща се течност (Tm=278 K). В чисто състояние е много нестабилен, когато се разлага, се освобождава HCN. За разлика от циановодородната киселина, HSCN е доста силна киселина (K=0,14). HSCN се характеризира с тавтомерно равновесие:

H-N \u003d C \u003d S \u003d H-S-C = N.

SCN - кървавочервен йон (реактив за Fe 3+ йон). Роданидни соли, получени от HSCN - лесно се получават от цианиди чрез добавяне на сяра:

Повечето тиоцианати са разтворими във вода. Солите на Hg, Au, Ag, Cu са неразтворими във вода. SCN- йонът, подобно на CN-, има тенденция да дава комплекси от типа M3 1 M "(SCN) 6, където M" "Cu, Mg и някои други. Dirodan (SCN) 2 - светложълти кристали, топене - 271 K Получете (SCN) 2 чрез реакция

2AgSCN+Br 2 ==2AgBr+ (SCN) 2 .

От другите азотсъдържащи съединения трябва да се посочи цианамидът.

и неговото производно - калциев цианамид CaCN 2 (Ca=N-C=N), който се използва като тор.

2.3 Метални карбиди

Карбидите са продукти от взаимодействието на въглерод с метали, силиций и бор. По разтворимост карбидите се разделят на два класа: карбиди, които са разтворими във вода (или разредени киселини) и карбиди, които са неразтворими във вода (или разредени киселини).

2.3.1 Карбиди, разтворими във вода и разредени киселини

А. Карбиди, образуващи C 2 H 2 при разтваряне Тази група включва карбидите на металите от първите две основни групи; близки до тях са карбидите Zn, Cd, La, Ce, Th от състава MC 2 (LaC 2 , CeC 2 , ТhC 2 .)

CaC 2 + 2H 2 0 \u003d Ca (OH) 2 + C 2 H 2, ThC 2 + 4H 2 0 \u003d Th (OH) 4 + H 2 C 2 + H 2.

ANSz + 12H 2 0 \u003d 4Al (OH) s + ZSN 4, Be 2 C + 4H 2 0 \u003d 2Be (OH) 2 + CH 4. Според техните свойства Mn z C е близо до тях:

Mn s C + 6H 2 0 \u003d ZMn (OH) 2 + CH 4 + H 2.

Б. Карбиди, които при разтваряне образуват смес от въглеводороди и водород. Те включват повечето карбиди на редкоземни метали.

2.3.2 Карбиди, неразтворими във вода и в разредени киселини

Тази група включва повечето карбиди на преходни метали (W, Mo, Ta и др.), както и SiC, B 4 C.

Те се разтварят в окислителни среди, например:

VC + 3HN0 3 + 6HF \u003d HVF 6 + CO 2 + 3NO + 4H 2 0, SiC + 4KOH + 2C0 2 \u003d K 2 Si0 3 + K 2 C0 3 + 2H 2 0.

Фигура 3. Икосаедър B 12

Практически важни са карбидите на преходните метали, както и силициевите карбиди SiC и бор B 4 C. SiC - карборунд - безцветни кристали с диамантена решетка, доближаващи се до диаманта по твърдост (техническият SiC има тъмен цвят поради примеси). SiC е силно огнеупорен, топлопроводим и електропроводим при висока температура, изключително химически инертен; той може да бъде унищожен само чрез сливане на въздух с алкали.

B 4 C - полимер. Решетката на борния карбид е изградена от линейно подредени три въглеродни атома и групи, съдържащи 12 В атома, подредени под формата на икосаедър (фиг. 3); твърдостта на B4C е по-висока от тази на SiC.

Глава 3. Силициеви съединения

Разликата между химията на силиция и въглерода се дължи главно на големия размер на неговия атом и възможността за използване на свободни 3d орбитали. Поради допълнителното свързване (според донорно-акцепторния механизъм), връзките на силиций с кислород Si-O-Si и флуор Si-F (Таблица 17.23) са по-силни от тези на въглерода и поради по-големия размер на Si атома в сравнение към атома Si-H и Si-Si връзките са по-слаби от тези на въглерода. Силициевите атоми са практически неспособни да образуват вериги. Хомоложната серия от силициеви водороди SinH2n+2 (силани), аналогични на въглеводородите, се получава само до състава Si4Hio. Поради по-големия си размер Si атомът има и слабо изразена способност за n-припокриване, следователно не само тройните, но и двойните връзки са малко характерни за него.

Когато силиций взаимодейства с метали, се образуват силициди (Ca 2 Si, Mg 2 Si, BaSi 2, Cr 3 Si, CrSi 2 и др.), подобни в много отношения на карбидите. Силицидите не са характерни за елементите от I група (с изключение на Li). Силициевите халогениди (Таблица 5) са по-силни съединения от въглеродните халогениди; те обаче се разлагат от водата.

Таблица 5. Сила на някои връзки на въглерод и силиций

Най-издръжливият силициев халогенид е SiF4 (разлага се само под действието на електрически разряд), но, подобно на други халогениди, той се подлага на хидролиза. Когато SiF4 взаимодейства с HF, се образува хексафлуоросилициева киселина:

SiF4 +2HF=H2.

H 2 SiF 6 е близък по сила до H 2 S0 4 . Производните на тази киселина - флуоросиликатите, като правило, са разтворими във вода. Флуоросиликатите на алкални метали (с изключение на Li и NH 4) са слабо разтворими. Флуоросиликатите се използват като пестициди (инсектициди).

Практически важен халогенид е SiCO 4 . Използва се за получаване на силициеви органични съединения. Така че SiCL 4 лесно взаимодейства с алкохоли, за да образува естери на силициева киселина HaSiO 3:

SiCl 4 + 4C 2 H 5 OH \u003d Si (OC 2 H 5) 4 + 4HCl 4

Таблица 6. Въглеродни и силициеви халогениди

Естерите на силициевата киселина, хидролизирайки, образуват силикони - полимерни вещества с верижна структура:

(R-органичен радикал), които са намерили приложение в производството на каучуци, масла и смазочни материали.

Силициев сулфид (SiS 2) n-полимерно вещество; стабилен при нормална температура; разлага се от вода:

SiS 2 + ZN 2 O \u003d 2H 2 S + H 2 SiO 3.

3.1 Кислородни силициеви съединения

Най-важното кислородно съединение на силиция е силициевият диоксид SiO 2 (силициев диоксид), който има няколко кристални модификации.

Нискотемпературната модификация (до 1143 K) се нарича кварц. Кварцът има пиезоелектрични свойства. Естествени разновидности на кварца: планински кристал, топаз, аметист. Разновидности на силициев диоксид са халцедон, опал, ахат,. яспис, пясък.

Силицият е химически устойчив; върху него действат само флуор, флуороводородна киселина и алкални разтвори. Лесно преминава в стъкловидно състояние (кварцово стъкло). Кварцовото стъкло е крехко, химически и термично доста устойчиво. Силициевата киселина, съответстваща на SiO 2, няма определен състав. Силициевата киселина обикновено се записва като xH 2 O-ySiO 2 . Изолирани са силициеви киселини: H 2 SiO 3 (H 2 O-SiO 2) - метасилиций (три-оксосилиций), H 4 Si0 4 (2H 2 0-Si0 2) - ортосилиций (тетра-оксосилиций), H 2 Si2O 5 (H 2 O * SiO 2) - диметосилиций.

Силициевите киселини са слабо разтворими вещества. В съответствие с по-малко металоидната природа на силиция в сравнение с въглерода, H 2 SiO 3 като електролит е по-слаб от H 2 CO3.

Силикатните соли, съответстващи на силициевите киселини, са неразтворими във вода (с изключение на силикатите на алкални метали). Разтворимите силикати се хидролизират съгласно уравнението

2SiOz 2 - + H 2 0 \u003d Si 2 O 5 2 - + 20H-.

Концентрираните разтвори на разтворими силикати се наричат течно стъкло. Обикновеното прозоречно стъкло, натриев и калциев силикат, има състав Na 2 0-CaO-6Si0 2 . Получава се от реакцията

Известно е голямо разнообразие от силикати (по-точно оксосиликати). В структурата на оксосиликатите се наблюдава определен модел: всички те се състоят от Si04 тетраедри, които са свързани помежду си чрез кислороден атом. Най-често срещаните комбинации от тетраедри са (Si 2 O 7 6 -), (Si 3 O 9) 6 -, (Si 4 0 l2) 8-, (Si 6 O 18 12 -), които като структурни единици могат да бъдат комбинирани във вериги, ленти, мрежи и рамки (фиг. 4).

Най-важните естествени силикати са например талк (3MgO * H 2 0-4Si0 2) и азбест (SmgO*H 2 O*SiO 2). Подобно на SiO 2 , силикатите се характеризират със стъкловидно (аморфно) състояние. При контролирана кристализация на стъклото е възможно да се получи фино кристално състояние (ситали). Ситалите се характеризират с повишена здравина.

В допълнение към силикатите, алумосиликатите са широко разпространени в природата. Алумосиликати - рамкови оксосиликати, в които част от силициевите атоми са заменени с тривалентен Al; например Na 12 [(Si, Al) 0 4] 12.

За силициевата киселина е характерно колоидно състояние, когато е изложено на неговите соли на киселини H 2 SiO 3 не се утаява веднага. Колоидните разтвори на силициева киселина (золове) при определени условия (например при нагряване) могат да се превърнат в прозрачна, хомогенна желатинова маса-гел от силициева киселина. Геловете са високомолекулни съединения с пространствена, много рехава структура, образувана от молекули Si0 2, чиито кухини са запълнени с молекули H 2 O. Когато геловете на силициевата киселина се дехидратират, се получава силикагел - порест продукт с висока адсорбция капацитет.

Фигура 4. Структурата на силикатите.

заключения

След като изследвах химически съединения на базата на силиций и въглерод в моята работа, стигнах до извода, че въглеродът, като количествено не много често срещан елемент, е най-важният компонент на земния живот, неговите съединения съществуват във въздуха, маслото, а също и в такива прости вещества като диамант и графит. Една от най-важните характеристики на въглерода са силните ковалентни връзки между атомите, както и водородния атом. Най-важните неорганични съединения на въглерода са: оксиди, киселини, соли, халогениди, азотсъдържащи производни, сулфиди, карбиди.

Говорейки за силиция, трябва да отбележим големите му запаси на земята, той е в основата на земната кора и се намира в огромно разнообразие от силикати, пясък и др. Понастоящем употребата на силиций поради неговите полупроводникови свойства нараства. Използва се в електрониката при производството на компютърни процесори, микросхеми и чипове. Силициевите съединения с металите образуват силициди, най-важното кислородно съединение на силиция е силициевият оксид SiO 2 (силициев диоксид).В природата има голямо разнообразие от силикати - често срещани са и талк, азбест, алумосиликати.

Библиография

1. Голяма съветска енциклопедия. Трето издание. T.28. - М.: Съветска енциклопедия, 1970 г.

2. Жиряков В.Г. Органична химия, 4-то изд. - М., "Химия", 1971 г.

3. Кратка химическа енциклопедия. - М. "Съветска енциклопедия", 1967 г.

4. Обща химия / Ed. ЯЖТЕ. Соколовская, Л.С. Гузея, 3-то изд. - М.: Издателство на Москва. ун-та, 1989 г.

5. Светът на неживата природа. - М., "Наука", 1983 г.

6. Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органична химия. Учебник.4-то изд. - М.: "Химия", 1989 г.

Един от най-разпространените елементи в природата е силицият или силиций. Такова широко разпространение говори за важността и значението на това вещество. Това бързо беше разбрано и възприето от хора, които се научиха как правилно да използват силиция за собствените си цели. Приложението му се основава на специални свойства, за които ще говорим по-късно.

Силицият - химичен елемент

Ако характеризираме този елемент чрез позиция в периодичната система, тогава можем да идентифицираме следните важни точки:

Пореден номер - 14.
Периодът е третият малък.
Група - IV.
Подгрупата е основната.
Структурата на външната електронна обвивка се изразява с формулата 3s 2 3p 2 .
Елементът силиций е представен от химическия символ Si, който се произнася „силиций“.
Степените на окисление, които проявява са: -4; +2; +4.
Валентността на атома е IV.
Атомната маса на силиция е 28,086.
В природата има три стабилни изотопа на този елемент с масови числа 28, 29 и 30.

По този начин, от химическа гледна точка, силициевият атом е достатъчно проучен елемент, много от неговите различни свойства са описани.

История на откритията

Тъй като различните съединения на разглеждания елемент са много популярни и масови по съдържание в природата, от древни времена хората са използвали и са знаели за свойствата само на много от тях. Чистият силиций дълго време остава извън познанията на човека в химията.

Най-популярните съединения, използвани в ежедневието и индустрията от народите на древните култури (египтяни, римляни, китайци, руснаци, перси и други), са скъпоценните и декоративни камъни на основата на силициев оксид. Те включват:

опал;
страз;
топаз;
хризопраз;
оникс;
халцедон и др.

От древни времена е обичайно да се използва кварц в строителния бизнес. Самият елементарен силиций обаче остава неоткрит до 19 век, въпреки че много учени напразно се опитват да го изолират от различни съединения, използвайки катализатори, високи температури и дори електрически ток. Това са такива ярки умове като:

Карл Шеле;
Гей-Люсак;
Тенар;
Хъмфри Дейви;
Антоан Лавоазие.

Йенс Якобс Берцелиус успява да получи чист силиций през 1823 г. За да направи това, той проведе експеримент върху сливането на пари от силициев флуорид и метален калий. В резултат на това той получи аморфна модификация на въпросния елемент. Същият учен предлага латинско име за открития атом.

Малко по-късно, през 1855 г., друг учен - Сен Клер-Девил - успява да синтезира друга алотропна разновидност - кристален силиций. Оттогава знанията за този елемент и неговите свойства започнаха да растат много бързо. Хората разбраха, че има уникални характеристики, които могат да бъдат използвани много интелигентно, за да посрещнат собствените си нужди. Ето защо днес един от най-търсените елементи в електрониката и технологиите е силицият. Приложението му само разширява границите си всяка година.

Руското име на атома е дадено от учения Хес през 1831 г. Това е останало и до днес.

Силицият е вторият най-разпространен в природата след кислорода. Процентът му в сравнение с останалите атоми в състава на земната кора е 29,5%. В допълнение, въглеродът и силицийът са два специални елемента, които могат да образуват вериги, като се свързват един с друг. Ето защо за последния са известни повече от 400 различни природни минерала, в които се съдържа в литосферата, хидросферата и биомасата.

Къде точно се намира силицият?

В дълбоките слоеве на почвата.
В скали, находища и масиви.
На дъното на водни тела, особено морета и океани.
В растенията и морските обитатели на животинското царство.
При хората и сухоземните животни.

Възможно е да се посочат няколко от най-често срещаните минерали и скали, в които силицийът присъства в големи количества. Тяхната химия е такава, че масовото съдържание на чист елемент в тях достига 75%. Конкретната цифра обаче зависи от вида на материала. И така, скали и минерали, съдържащи силиций:

фелдшпати;
слюда;
амфиболи;
опали;
халцедон;
силикати;
пясъчници;
алумосиликати;
глина и други.

Натрупвайки се в черупките и външните скелети на морските животни, силицийът в крайна сметка образува мощни отлагания от силициев диоксид на дъното на водните тела. Това е един от естествените източници на този елемент.

Освен това е установено, че силицийът може да съществува в чист самороден вид - под формата на кристали. Но такива депозити са много редки.

Физични свойства на силиция

Ако характеризираме разглеждания елемент чрез набор от физикохимични свойства, тогава на първо място трябва да се обозначат физическите параметри. Ето няколко основни:

Съществува под формата на две алотропни модификации - аморфна и кристална, които се различават по всички свойства.
Кристалната решетка е много подобна на тази на диаманта, тъй като въглеродът и силицият са почти еднакви в това отношение. Разстоянието между атомите обаче е различно (силицият е повече), така че диамантът е много по-твърд и по-здрав. Решетъчен тип - кубичен лицево-центриран.
Веществото е много крехко, при високи температури става пластично.
Точката на топене е 1415˚С.
Точка на кипене - 3250˚С.
Плътността на веществото е 2,33 g / cm 3.
Цветът на съединението е сребристосив, изразен е характерен метален блясък.
Има добри полупроводникови свойства, които могат да варират с добавянето на определени агенти.
Неразтворим във вода, органични разтворители и киселини.
Специално разтворим в основи.

Определените физически свойства на силиция позволяват на хората да го контролират и да го използват за създаване на различни продукти. Например, използването на чист силиций в електрониката се основава на свойствата на полупроводимостта.

Химични свойства

Химичните свойства на силиция силно зависят от условията на реакцията. Ако говорим за стандартни параметри, тогава трябва да посочим много ниска активност. Както кристалният, така и аморфният силиций са много инертни. Те не взаимодействат със силни окислители (с изключение на флуор) или със силни редуциращи агенти.

Това се дължи на факта, че на повърхността на веществото незабавно се образува оксиден филм от SiO 2, който предотвратява по-нататъшни взаимодействия. Може да се образува под въздействието на вода, въздух, пари.

Ако обаче стандартните условия се променят и силицият се нагрее до температура над 400˚С, то неговата химическа активност силно ще се увеличи. В този случай той ще реагира с:

кислород;
всички видове халогени;
водород.

При по-нататъшно повишаване на температурата е възможно образуването на продукти при взаимодействие с бор, азот и въглерод. От особено значение е карборундът - SiC, тъй като е добър абразивен материал.

Също така химичните свойства на силиция се виждат ясно при реакции с метали. По отношение на тях той е окислител, поради което продуктите се наричат силициди. Подобни съединения са известни за:

алкален;
алкалоземни;
преходни метали.

Съединението, получено чрез сливане на желязо и силиций, има необичайни свойства. Нарича се феросиликонова керамика и се използва успешно в индустрията.

Силицият не взаимодейства със сложни вещества, следователно от всичките им разновидности той може да се разтвори само в:

царска вода (смес от азотна и солна киселина);
разяждащи алкали.

В този случай температурата на разтвора трябва да бъде най-малко 60 ° C. Всичко това още веднъж потвърждава физическата основа на веществото - диамантена стабилна кристална решетка, която му придава здравина и инертност.

Как да получите

Получаването на силиций в неговата чиста форма е доста скъп процес от икономическа гледна точка. Освен това, поради свойствата си, всеки метод дава само 90-99% чист продукт, докато примесите под формата на метали и въглерод остават същите. Така че само получаването на веществото не е достатъчно. Също така трябва да бъде качествено почистен от чужди елементи.

Като цяло производството на силиций се извършва по два основни начина:

От бял пясък, който е чист силициев оксид SiO 2 . При калциниране с активни метали (най-често с магнезий) се образува свободен елемент под формата на аморфна модификация. Чистотата на този метод е висока, продуктът се получава с 99,9% добив.
По-широко разпространен метод в индустриален мащаб е синтероването на разтопен пясък с кокс в специализирани термични пещи. Този метод е разработен от руския учен Н. Н. Бекетов.

По-нататъшната обработка се състои в подлагане на продуктите на методи за пречистване. За това се използват киселини или халогени (хлор, флуор).

Аморфен силиций

Характеризирането на силиция ще бъде непълно, ако всяка от неговите алотропни модификации не се разглежда отделно. Първият е аморфен. В това състояние веществото, което разглеждаме, е кафяво-кафяв прах, фино диспергиран. Има висока степен на хигроскопичност, проявява достатъчно висока химическа активност при нагряване. При стандартни условия той е в състояние да взаимодейства само с най-силния окислител - флуор.

Наричането на аморфен силиций просто вид кристален не е напълно правилно. Неговата решетка показва, че това вещество е само форма на фино диспергиран силиций, който съществува под формата на кристали. Следователно, като такива, тези модификации са едно и също съединение.

Техните свойства обаче се различават и затова е обичайно да се говори за алотропия. Сам по себе си аморфният силиций има висока способност за поглъщане на светлина. Освен това при определени условия този показател е няколко пъти по-висок от този на кристалната форма. Поради това се използва за технически цели. В разглежданата форма (прах) съединението лесно се нанася върху всяка повърхност, независимо дали е пластмаса или стъкло. Следователно аморфният силиций е толкова удобен за употреба. Приложението е базирано на различни размери.

Въпреки че износването на батерии от този тип е доста бързо, което е свързано с абразията на тънък слой от веществото, употребата и търсенето само нарастват. Всъщност, дори и при кратък експлоатационен живот, слънчевите клетки на базата на аморфен силиций са в състояние да осигурят енергия на цели предприятия. В допълнение, производството на такова вещество е безотпадно, което го прави много икономично.

Тази модификация се получава чрез редуциране на съединения с активни метали, например натрий или магнезий.

Кристален силиций

Сребристо-сива блестяща модификация на въпросния елемент. Именно тази форма е най-често срещаната и най-търсената. Това се дължи на набора от качествени свойства, които това вещество притежава.

Характеристиката на силиций с кристална решетка включва класификация на неговите видове, тъй като има няколко от тях:

Електронно качество - най-чистото и високо качество. Именно този тип се използва в електрониката за създаване на особено чувствителни устройства.
Слънчево качество. Самото име определя областта на употреба. Освен това е силиций с доста висока чистота, чието използване е необходимо за създаване на висококачествени и дълготрайни слънчеви клетки. Фотоволтаичните преобразуватели, създадени на базата на кристална структура, са с по-високо качество и устойчивост на износване от тези, създадени с помощта на аморфна модификация чрез отлагане върху различни видове субстрати.
Технически силиций. Този сорт включва онези проби от вещество, които съдържат около 98% от чистия елемент. Всичко останало отива към различни видове примеси:

алуминий;
хлор;
въглерод;
фосфор и други.

Последната разновидност на разглежданото вещество се използва за получаване на силициеви поликристали. За това се извършват процеси на прекристализация. В резултат на това по отношение на чистотата се получават продукти, които могат да бъдат приписани на групите на слънчево и електронно качество.

По своята същност полисилицийът е междинен продукт между аморфната модификация и кристалната. Тази опция е по-лесна за работа, по-добре се обработва и почиства с флуор и хлор.

Получените продукти могат да бъдат класифицирани, както следва:

мултисилиций;
монокристален;
профилирани кристали;
силициев скрап;
технически силиций;
производствени отпадъци под формата на фрагменти и остатъци от материя.

Всеки от тях намира приложение в индустрията и се използва напълно от човек. Следователно тези, свързани със силиций, се считат за безотпадни. Това значително намалява неговата икономическа себестойност, без да се отразява на качеството.

Използването на чист силиций

Производството на силиций в индустрията е установено доста добре и мащабът му е доста обемен. Това се дължи на факта, че този елемент, както чист, така и под формата на различни съединения, е широко разпространен и търсен в различни отрасли на науката и технологиите.

Къде се използва кристален и аморфен силиций в чист вид?

В металургията като легираща добавка, способна да променя свойствата на металите и техните сплави. Така че се използва при топенето на стомана и желязо.
За производството на по-чист вариант - полисилиций се използват различни видове вещества.
Силициевите съединения са цяла химическа индустрия, която днес придоби особена популярност. Силиконовите материали се използват в медицината, в производството на съдове, инструменти и много други.
Производство на различни соларни панели. Този метод за получаване на енергия е един от най-обещаващите в бъдещето. Екологични, рентабилни и издръжливи - основните предимства на такова производство на електроенергия.
Силиконът за запалки се използва от много дълго време. Дори в древни времена хората са използвали кремък, за да създадат искра при запалване на огън. Този принцип е в основата на производството на различни видове запалки. Днес има видове, в които кремъкът е заменен със сплав с определен състав, което дава още по-бърз резултат (искряне).
Електроника и слънчева енергия.
Производство на огледала в газови лазерни устройства.

По този начин чистият силиций има много предимства и специални свойства, които му позволяват да се използва за създаване на важни и необходими продукти.

Използването на силициеви съединения

В допълнение към простото вещество се използват и различни силициеви съединения и то много широко. Има цял клон на индустрията, наречен силикат. Именно тя се основава на използването на различни вещества, които включват този невероятен елемент. Какви са тези съединения и какво се произвежда от тях?

Кварцов или речен пясък - SiO 2. Използва се за производството на строителни и декоративни материали като цимент и стъкло. Къде се използват тези материали, всеки знае. Никоя конструкция не е завършена без тези компоненти, което потвърждава важността на силициевите съединения.
Силикатна керамика, която включва материали като фаянс, порцелан, тухли и продукти на тяхна основа. Тези компоненти се използват в медицината, при производството на съдове, декоративни орнаменти, предмети от бита, в строителството и други битови области на човешката дейност.
- силикони, силикагелове, силиконови масла.
Силикатно лепило - използва се като канцеларски материали, в пиротехниката и строителството.

Силицият, чиято цена варира на световния пазар, но не преминава границата от 100 руски рубли на килограм (на кристал) отгоре надолу, е търсено и ценно вещество. Естествено съединенията на този елемент също са широко разпространени и приложими.

Биологичната роля на силиция

От гледна точка на значимостта за организма силицият е важен. Неговото съдържание и разпределение в тъканите е както следва:

0,002% - мускули;
0,000017% - кост;
кръв - 3,9 mg / l.

Всеки ден около един грам силиций трябва да влезе вътре, в противен случай ще започнат да се развиват болести. Сред тях няма смъртоносни, но продължителното силициево гладуване води до:

косопад;
появата на акне и пъпки;
крехкост и крехкост на костите;
лесна капилярна пропускливост;
умора и главоболие;
появата на множество синини и натъртвания.

За растенията силицият е важен микроелемент, необходим за нормалния растеж и развитие. Експериментите с животни показват, че тези индивиди, които консумират достатъчно количество силиций дневно, растат по-добре.

Кратко сравнително описание на елементите въглерод и силиций е представено в таблица 6.

Таблица 6

Сравнителни характеристики на въглерод и силиций

Критерии за сравнение	Въглерод - C	Силиций - Si
място в периодичната таблица на химичните елементи	, 2 период, IV група, основна подгрупа	, 3 период, IV група, основна подгрупа
електронна конфигурация на атомите
валентни възможности	II - в стационарно състояние IV - във възбудено състояние
възможни степени на окисление	, , , , ,	,
висш оксид	, киселинна	, киселинна
висш хидроксид	- слаба нестабилна киселина	() или - слаба киселина, има полимерна структура
водородна връзка	– метан (въглеводород)	– силан, нестабилен

Въглерод. Алотропията е характерна за въглеродния елемент. Въглеродът съществува под формата на следните прости вещества: диамант, графит, карбин, фулерен, от които само графитът е термодинамично стабилен. Въглищата и саждите могат да се разглеждат като аморфни разновидности на графита.

Графитът е огнеупорен, леко летлив, химически инертен при обикновени температури, е непрозрачно, меко вещество, което слабо провежда ток. Структурата на графита е слоеста.

Аламазе е изключително твърдо, химически инертно (до 900 °C) вещество, което не провежда ток и провежда лошо топлина. Структурата на диаманта е тетраедрична (всеки атом в тетраедъра е заобиколен от четири атома и т.н.). Следователно диамантът е най-простият полимер, чиято макромолекула се състои само от въглеродни атоми.

Carbyne има линейна структура (-carbine, polyyne) или (-carbine, polyene). Това е черен прах, има полупроводникови свойства. Под действието на светлината електропроводимостта на карабина се увеличава, а при температура карабината се превръща в графит. Химически по-активен от графита. Синтезиран е в началото на 60-те години и по-късно е открит в някои метеорити.

Фулеренът е алотропна модификация на въглерода, образувана от молекули, имащи структура тип "футболна топка". Бяха синтезирани молекули и други фулерени. Всички фулерени са затворени структури от въглеродни атоми в хибридно състояние. Електроните на нехибридизираната връзка са делокализирани, както в ароматните съединения. Фулереновите кристали са от молекулен тип.

Силиций. Силицият не се характеризира с връзки, не е типично да съществува в хибридно състояние. Следователно има само една стабилна алотропна модификация на силиций, чиято кристална решетка е подобна на тази на диаманта. Силицият е твърд (по скалата на Моос, твърдостта е 7), огнеупорен ( ), много крехко вещество с тъмносив цвят с метален блясък при стандартни условия - полупроводник. Химическата активност зависи от размера на кристалите (едрокристалният е по-малко активен от аморфния).

Реактивността на въглерода зависи от алотропната модификация. Въглеродът под формата на диамант и графит е доста инертен, устойчив на киселини и основи, което прави възможно производството на тигли, електроди и др. от графит. Въглеродът проявява по-висока реактивност под формата на въглища и сажди.

Кристалният силиций е доста инертен, в аморфна форма е по-активен.

Основните видове реакции, които отразяват химичните свойства на въглерода и силиция, са показани в таблица 7.

Таблица 7

Основни химични свойства на въглерода и силиция

реакция с	въглерод	реакция с	силиций
прости вещества	кислород		кислород
халогени		халогени
сиво		въглерод
водород		водород	не реагира
метали		метали
сложни вещества	метални оксиди		алкали
пара		киселини	не реагира
киселини

Свързващи материали

Свързващи материали – минерални или органични строителни материали, използвани за производство на бетон, закрепване на отделни елементи на строителни конструкции, хидроизолация и др..

Минерални свързващи вещества(MVM)– фино прахообразни материали (цимент, гипс, вар и др.), които при смесване с вода (в някои случаи с разтвори на соли, киселини, основи) образуват пластична, обработваема маса, която се втвърдява в здраво каменно тяло и свързва частици от твърди пълнители и армировка в монолитно цяло.

Втвърдяването на MVM се извършва в резултат на процесите на разтваряне, образуването на пренаситен разтвор и колоидна маса; последният частично или напълно кристализира.

MVM класификация:

1. хидравлични свързващи вещества:

При смесване с вода (смесване) те се втвърдяват и продължават да поддържат или увеличават силата си във вода. Те включват различни цименти и хидравлична вар. По време на втвърдяването на хидравличната вар CaO взаимодейства с водата и въглеродния диоксид във въздуха и полученият продукт кристализира. Използват се при изграждането на наземни, подземни и хидротехнически съоръжения, които са постоянно изложени на вода.

2. въздушни свързващи вещества:

При смесване с вода те се втвърдяват и запазват силата си само във въздуха. Те включват въздушна вар, гипс-анхидрит и магнезиеви въздушни свързващи вещества.

3. киселинноустойчиви свързващи вещества:

Те се състоят главно от киселиноустойчив цимент, съдържащ фино смляна смес от кварцов пясък и; те са затворени, като правило, с водни разтвори на натриев или калиев силикат, те запазват силата си за дълго време, когато са изложени на киселини. По време на втвърдяването възниква реакция. Използват се за производство на киселиноустойчиви шпакловки, разтвори и бетони в строителството на химически предприятия.

4. Свързващи материали за автоклавно втвърдяване:

Те се състоят от варо-силициеви и варо-нефелинови свързващи вещества (вар, кварцов пясък, нефелинова утайка) и се втвърдяват по време на автоклавиране (6-10 часа, налягане на парата 0,9-1,3 MPa). Те също така включват пясъчен портланд цимент и други свързващи вещества на базата на вар, пепел и нискоактивна утайка. Използват се при производството на изделия от силикатен бетон (блокове, силикатни тухли и др.).

5. фосфатни свързващи вещества:

Състои се от специални цименти; те се затварят с фосфорна киселина с образуване на пластична маса, постепенно втвърдяваща се в монолитно тяло и запазваща здравината си при температури над 1000 ° C. Обикновено се използват титанов фосфат, цинков фосфат, алуминофосфат и други цименти. Използват се за производство на огнеупорна облицовъчна маса и уплътнители за високотемпературна защита на метални детайли и конструкции при производството на огнеупорен бетон и др.

Органични свързващи вещества(OBM)– вещества от органичен произход, способни да преминават от пластично състояние в твърдо или нископластично състояние в резултат на полимеризация или поликондензация.

В сравнение с MVM, те са по-малко крехки и имат по-висока якост на опън. Те включват продукти, образувани по време на рафиниране на нефт (асфалт, битум), продукти от термично разлагане на дървесина (катран), както и синтетични термореактивни полиестерни, епоксидни, фенолформалдехидни смоли. Използват се при изграждането на пътища, мостове, подове на промишлени помещения, рулонни покривни материали, асфалтополимербетон и др.

Химическият знак на силиция е Si, атомното тегло е 28.086, ядреният заряд е +14. , както и , се намира в главната подгрупа на IV група, в трети период. Той е аналогичен на въглерода. Електронната конфигурация на електронните слоеве на силициевия атом е ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 . Структурата на външния електронен слой

Структурата на външния електронен слой е подобна на структурата на въглеродния атом.
среща се под формата на две алотропни модификации - аморфна и кристална.
Аморфен - кафеникав прах с малко по-висока химическа активност от кристалния. При нормална температура той реагира с флуор:
Si + 2F2 = SiF4 при 400° - с кислород
Si + O2 = SiO2
в стопи - с метали:
2Mg + Si = Mg2Si
Кристалният силиций е твърдо крехко вещество с метален блясък. Има добра топло- и електропроводимост, лесно се разтваря в разтопени метали, образувайки. Сплав от силиций с алуминий се нарича силумин, сплав от силиций с желязо се нарича феросилиций. Плътност на силиций 2.4. Точка на топене 1415°, точка на кипене 2360°. Кристалният силиций е доста инертно вещество и трудно влиза в химични реакции. Въпреки добре изразените метални свойства, силицийът не реагира с киселини, но реагира с основи, образувайки соли на силициева киселина и:
Si + 2KOH + H2O = K2SiO2 + 2H2

■ 36. Какви са приликите и разликите между електронните структури на силициевите и въглеродните атоми?
37. Как да обясним от гледна точка на електронната структура на силициевия атом защо металните свойства са по-характерни за силиция, отколкото за въглерода?
38. Избройте химичните свойства на силиция.

Силицият в природата. Силициев диоксид

Силицият е широко разпространен в природата. Приблизително 25% от земната кора е силиций. Значителна част от естествения силиций е представен от силициев диоксид SiO2. В много чисто кристално състояние силициевият диоксид се среща като минерал, наречен планински кристал. Силициевият диоксид и въглеродният диоксид са химически аналогични, но въглеродният диоксид е газ, а силициевият диоксид е твърдо вещество. За разлика от молекулярната кристална решетка на CO2, силициевият диоксид SiO2 кристализира под формата на атомна кристална решетка, всяка клетка от която е тетраедър със силициев атом в центъра и кислородни атоми в ъглите. Това се обяснява с факта, че силициевият атом има по-голям радиус от въглеродния атом и около него могат да се поставят не 2, а 4 кислородни атома. Разликата в структурата на кристалната решетка обяснява разликата в свойствата на тези вещества. На фиг. 69 показва външния вид на естествен кварцов кристал, съставен от чист силициев диоксид и неговата структурна формула.

Ориз. 60. Структурна формула на силициев диоксид (а) и естествени кварцови кристали (б)

Кристалният силициев диоксид най-често се среща като пясък, който е бял, освен ако не е замърсен с примеси от жълта глина. В допълнение към пясъка, силициевият диоксид често се среща като много твърд минерал, силиций (хидратиран силициев диоксид). Кристалният силициев диоксид, оцветен в различни примеси, образува скъпоценни и полускъпоценни камъни - ахат, аметист, яспис. Почти чистият силициев диоксид също се среща под формата на кварц и кварцит. Свободният силициев диоксид в земната кора е 12%, в състава на различни скали - около 43%. Общо повече от 50% от земната кора е изградена от силициев диоксид.
Силицият е част от голямо разнообразие от скали и минерали - глина, гранит, сиенит, слюда, фелдшпат и др.

Твърдият въглероден диоксид, без да се топи, сублимира при -78,5 °. Точката на топене на силициевия диоксид е около 1,713°. Тя е много корава. Плътност 2,65. Коефициентът на разширение на силициевия диоксид е много малък. Това е от голямо значение при използване на кварцови стъклени съдове. Силициевият диоксид не се разтваря във вода и не реагира с нея, въпреки факта, че е киселинен оксид и съответства на силициевата киселина H2SiO3. Известно е, че въглеродният диоксид е разтворим във вода. Силициевият диоксид не реагира с киселини, с изключение на флуороводородна киселина HF, но дава соли с основи.

Ориз. 69. Структурна формула на силициев диоксид (а) и естествени кварцови кристали (б).
Когато силициевият диоксид се нагрява с въглища, силицийът се редуцира и след това се комбинира с въглерод и се образува карборунд според уравнението:
SiO2 + 2C = SiC + CO2. Карборундът има висока твърдост, устойчив е на киселини и се разрушава от основи.

■ 39. Какви свойства на силициевия диоксид могат да се използват, за да се прецени неговата кристална решетка?
40. Под формата на какви минерали се среща силициевият диоксид в природата?
41. Какво е карборунд?

Силициева киселина. силикати

Силициевата киселина H2SiO3 е много слаба и нестабилна киселина. При нагряване постепенно се разлага на вода и силициев диоксид:
H2SiO3 = H2O + SiO2

Във вода силициевата киселина е практически неразтворима, но може лесно да се отдаде.
Силициевата киселина образува соли, наречени силикати. са широко разпространени в природата. Естествените са доста сложни. Техният състав обикновено се изобразява като комбинация от няколко оксида. Ако съставът на естествените силикати включва алуминиев оксид, те се наричат алумосиликати. Това са бяла глина, (каолин) Al2O3 2SiO2 2H2O, фелдшпат K2O Al2O3 6SiO2, слюда
K2O Al2O3 6SiO2 2H2O. Много естествени скъпоценни камъни в най-чистата им форма, като аквамарин, изумруд и др.
От изкуствените силикати трябва да се отбележи натриевият силикат Na2SiO3 - един от малкото водоразтворими силикати. Нарича се разтворимо стъкло, а разтворът се нарича течно стъкло.

Силикатите се използват широко в инженерството. Разтворимото стъкло е импрегнирано с тъкани и дърво, за да ги предпази от запалване. Течността е част от огнеупорни шпакловки за залепване на стъкло, порцелан, камък. Силикатите са в основата на производството на стъкло, порцелан, фаянс, цимент, бетон, тухли и различни керамични изделия. В разтвор силикатите лесно се хидролизират.

■ 42. Какво е това? Как се различават от силикатите?
43. Какво е течност и за какви цели се използва?

Стъклена чаша

Суровините за производството на стъкло са Na2CO3 сода, CaCO3 варовик и SiO2 пясък. Всички компоненти на стъклената смес са внимателно почистени, смесени и стопени при температура от около 1400 °. По време на процеса на топене протичат следните реакции:
Na2CO3 + SiO2= Na2SiO3 + CO2

CaCO3 + SiO2 = CaSiO 3 + CO2
Всъщност съставът на стъклото включва натриеви и калциеви силикати, както и излишък от SO2, така че съставът на обикновеното прозоречно стъкло е: Na2O · CaO · 6SiO2. Стъклената смес се нагрява при температура 1500° до пълното отстраняване на въглеродния диоксид. След това се охлажда до температура от 1200 °, при която става вискозен. Като всяко аморфно вещество, стъклото омеква и се втвърдява постепенно, така че е добър пластичен материал. Вискозна стъклена маса преминава през процепа, което води до образуването на стъклен лист. Горещ стъклен лист се изтегля на ролки, довежда се до определен размер и постепенно се охлажда от въздушен поток. След това се нарязва по краищата и се нарязва на листове с определен формат.

■ 44. Дайте уравненията на реакциите, протичащи по време на производството на стъкло, и състава на стъклото за прозорци.

Стъклена чаша- веществото е аморфно, прозрачно, практически неразтворимо във вода, но ако се натроши на фин прах и се смеси с малко количество вода, в получената смес може да се открие алкал с помощта на фенолфталеин. При дългосрочно съхранение на алкали в стъклария, излишъкът от SiO2 в стъклото реагира много бавно с алкали и стъклото постепенно губи своята прозрачност.
Стъклото е станало известно на хората повече от 3000 години преди нашата ера. В древни времена стъклото се получавало с почти същия състав като сега, но древните майстори се ръководели само от собствената си интуиция. През 1750 г. М. В. успя да разработи научната основа за производството на стъкло. В продължение на 4 години М. В. събира много рецепти за приготвяне на различни чаши, особено цветни. В построената от него фабрика за стъкло са направени голям брой образци от стъкло, които са оцелели и до днес. В момента се използват стъкла с различни състави с различни свойства.

Кварцовото стъкло се състои от почти чист силициев диоксид и се топи от планински кристал. Неговата много важна характеристика е, че коефициентът му на разширение е незначителен, почти 15 пъти по-малък от този на обикновеното стъкло. Съдовете от такова стъкло могат да бъдат нажежени до червено в пламъка на горелка и след това да бъдат спуснати в студена вода; няма да има промяна на стъклото. Кварцовото стъкло не задържа ултравиолетовите лъчи и ако се боядиса в черно с никелови соли, ще задържи всички видими лъчи от спектъра, но ще остане прозрачно за ултравиолетовите лъчи.
Киселините не действат върху кварцовото стъкло, но алкалите забележимо го корозират. Кварцовото стъкло е по-крехко от обикновеното стъкло. Лабораторното стъкло съдържа около 70% SiO2, 9% Na2O, 5% K2O, 8% CaO, 5% Al2O3, 3% B2O3 (съставът на стъклата не е за запаметяване).

В промишлеността се използват стъкло Jena и Pyrex. Йенското стъкло съдържа около 65% Si02, 15% B2O3, 12% BaO, 4% ZnO, 4% Al2O3. Той е издръжлив, устойчив на механични натоварвания, има нисък коефициент на разширение, устойчив на основи.
Стъклото Pyrex съдържа 81% SiO2, 12% B2O3, 4% Na2O, 2% Al2O3, 0,5% As2O3, 0,2% K2O, 0,3% CaO. Има същите свойства като йенското стъкло, но в още по-голяма степен, особено след темпериране, но е по-малко устойчиво на алкали. Пирексното стъкло се използва за направата на битови предмети, които са изложени на топлина, както и части от някои промишлени инсталации, работещи при ниски и високи температури.

Някои добавки придават различни качества на стъклото. Например примесите на ванадиевите оксиди дават стъкло, което напълно блокира ултравиолетовите лъчи.
Получава се и стъкло, боядисано в различни цветове. М. В. също направи няколко хиляди проби от цветно стъкло с различни цветове и нюанси за своите мозаечни картини. Понастоящем методите за оцветяване на стъкло са разработени подробно. Мангановите съединения оцветяват стъклото в лилаво, кобалтово синьо. , впръскан в масата на стъклото под формата на колоидни частици, му придава рубинен цвят и др. Съединенията на олово придават на стъклото блясък, подобен на този на планинския кристал, поради което се нарича кристал. Такова стъкло може лесно да се обработва и изрязва. Продуктите от него пречупват светлината много красиво. При оцветяването на това стъкло с различни добавки се получава цветно кристално стъкло.

Ако разтопеното стъкло се смеси с вещества, които при разлагане образуват голямо количество газове, последните, излизайки, разпенват стъклото, образувайки пеностъкло. Такова стъкло е много леко, добре обработено и е отличен електрически и топлоизолатор. За първи път е получена от проф. И. И. Китайгородски.
Чрез изтегляне на нишки от стъкло можете да получите така нареченото фибростъкло. Ако фибростъкло, положено на слоеве, се импрегнира със синтетични смоли, тогава се получава много издръжлив, устойчив на гниене, идеално обработен строителен материал, така нареченото фибростъкло. Интересното е, че колкото по-тънък е фибростъклото, толкова по-висока е неговата здравина. Фибростъклото се използва и за направата на работно облекло.
Стъклената вата е ценен материал, през който могат да се филтрират силни киселини и основи, които не са филтрирани през хартия. Освен това стъклената вата е добър топлоизолатор.

■ 44. Какво определя свойствата на стъклата от различни видове?

Керамика

От алумосиликатите особено значение има бялата глина - каолин, която е в основата на производството на порцелан и фаянс. Производството на порцелан е изключително древен отрасъл на икономиката. Родното място на порцелана е Китай. В Русия порцеланът е получен за първи път през 18 век. Д. И. Виноградов.
Суровината за производството на порцелан и фаянс, в допълнение към каолина, са пясък и. Смес от каолин, пясък и вода се подлага на щателно фино смилане в топкови мелници, след което излишната вода се филтрира и добре смесената пластмасова маса се изпраща за формоване на продукти. След формоването продуктите се сушат и изпичат в непрекъснати тунелни пещи, където първо се нагряват, след това се изпичат и накрая се охлаждат. След това изделията се подлагат на допълнителна обработка - глазиране, рисуване на шарка с керамични бои. След всеки етап продуктите се изпичат. Резултатът е порцелан, който е бял, гладък и лъскав. На тънки слоеве прозира. Фаянсът е порест и не прозира.

От червена глина са изляти тухли, керемиди, фаянс, керамични пръстени за монтаж в абсорбционни и миялни кули на различни химически производства, саксии за цветя. Те също се изпичат, за да не омекнат от водата и да станат механично здрави.

Цимент. Бетон

Силициевите съединения служат като основа за производството на цимент, незаменим свързващ материал в строителството. Суровините за производство на цимент са глина и варовик. Тази смес се изпича в огромна наклонена тръбна ротационна пещ, където суровините се зареждат непрекъснато. След изпичане при 1200-1300 ° от отвора, разположен в другия край на пещта, синтерованата маса - клинкер - непрекъснато излиза. След смилането клинкерът се превръща в. Циментът съдържа предимно силикати. Ако се смеси с вода, докато се образува гъста каша и след това се остави за известно време на въздух, тя ще реагира с циментови вещества, образувайки кристални хидрати и други твърди съединения, което води до втвърдяване ("втвърдяване") на цимента. Това вече не се прехвърля в предишното си състояние, следователно преди употреба циментът се опитва да бъде защитен от вода. Процесът на втвърдяване на цимента е дълъг и той придобива истинска сила едва след месец. Вярно е, че има различни видове цимент. Обикновеният цимент, който разгледахме, се нарича силикатен или портланд цимент. От алуминиев оксид, варовик и силициев диоксид се прави бързо втвърдяващ алуминиев цимент.

Ако смесите цимент с натрошен камък или чакъл, получавате бетон, който вече е независим строителен материал. Трошен камък и чакъл се наричат пълнители. Бетонът има висока якост и може да издържи големи натоварвания. Той е водоустойчив и пожароустойчив. При нагряване почти не губи сила, тъй като топлопроводимостта му е много ниска. Бетонът е устойчив на замръзване, отслабва радиоактивното излъчване, поради което се използва като строителен материал за хидравлични конструкции, за защитни черупки на ядрени реактори. Котлите са облицовани с бетон. Ако смесите цимент с пенообразуващ агент, тогава се образува пенобетон, наситен с много клетки. Такъв бетон е добър звукоизолатор и провежда топлина дори по-малко от обикновения бетон.